Soutenance mémoire
Le domaine de l’électronique radiofréquence, tout particulièrement celui des télécommunications civiles et des applications militaires (système de surveillance, radar de détection, communications, …) impose sur le frond-end RF des contraintes très fortes pour tendre vers un système unique, multifonctionnel et ou multistandard. Ainsi, la demande toujours croissante en termes de fonctionnalités, tout en maintenant un coût contraint, contribue à l’émergence de technologies innovantes dédiées à la réalisation de systèmes électroniques qualifiés « d’intelligents » (« smart systems ») notamment grâce à leur reconfigurabilité ou à l’agilité qu’ils peuvent présenter. Cette agilité fait l’objet de multiples recherches dans le domaine des hyperfréquences et peut porter sur différents paramètres du système (fréquence, bande passante, diagramme de rayonnement, direction de pointage, etc.).
Les défis imposés par les nouvelles applications, telles que les prochaines générations de télécommunications (applications 5G) et la montée en fréquence des applications mais aussi les front-ends des radars de prochaine génération, requièrent alors des systèmes électroniques présentant de faibles pertes avec une agilité très rapide (par exemple pour une commutation entre les différentes normes pour les télécommunications ou une rapidité de l’acquisition de l’information dans le cadre des applications radars). Cette rapidité, tant recherchée par les applications de haut débit notamment, implique alors l’utilisation de commutateurs ayant des temps de transition très faibles (de l’ordre de la nanoseconde). Afin de répondre à ces besoins d’agilité, le domaine des microondes fait appel à diverses approches basées sur des composants de types semi-conducteurs (diodes PIN, transistors FET, etc.), MEMS (« Micro-ElectricalMechanical Systems ») ou à des matériaux agiles (ferroélectrique, ferromagnétique, cristaux liquides et matériaux à changement de phase, entre autres). Dans ce contexte, le projet MUFRED (« Microwave Ultra-Fast Reconfigurable Electronics Devices »), financé par l’Agence Nationale de Recherche (ANR), tente de répondre au défi de l’agilité en hyperfréquence par l’utilisation d’un matériau clé : le dioxyde de vanadium (VO2). Ce matériau fait partie des matériaux à transition de phase dont la transition isolant-métal (« Metal-Insulator Transition » (MIT)) peut être activée par différentes commandes (thermique, électrique et/ou optique). Il présente surtout la possibilité de transiter très rapidement entre ses deux états (métal et isolant). La finalité de ce projet réside dans l’étude et la réalisation de démonstrateurs faisant office de « preuve de concept », en l’occurrence un réseau d’antennes phasé reconfigurable et un réseau d’antennes réflecteur, dans lesquels la reconfigurabilité est assurée grâce au VO2 commandé électriquement dans un premier temps puis optiquement pour obtenir une commutation ultra-rapide.
CONTEXTE
Les systèmes de communication sans fils évoluent vers des systèmes multifonctionnels permettant aux utilisateurs de se connecter et de jouir simultanément des nombreux services proposés. Afin de répondre aux différents besoins nécessaires pour ces connexions, les systèmes dans leur ensemble, de la partie radio « front-end » jusqu’aux modules de traitement de signal, doivent s’adapter aux différentes normes régissant le domaine des télécommunications. Ainsi, la réduction du poids de l’électronique embarquée, tout en assurant une compacité volumique et une intégration à faible coût, est un défi majeur pour les futurs systèmes électroniques et ce quelques soient les domaines d’applications (télécommunications militaires et civiles, radars, guerres électroniques, satellites, etc.). Ces futurs systèmes électroniques, appelés « smart systems » ou encore systèmes reconfigurables, devront réaliser des opérations indépendantes et reconfigurables avec une efficacité et une auto-optimisation en temps réel de leurs performances. Dans cette optique, les commutateurs microondes sont des éléments de base clés dans la conception de dispositifs radiofréquences (RF) reconfigurables tels que, entre autres, des filtres, des amplificateurs de puissance et de réception, des oscillateurs locaux, des réseaux d’adaptation d’impédances pour les antennes, et également des antennes réseaux. En effet, les antennes reconfigurables, ayant le potentiel de modifier leur diagramme de rayonnement et/ou leurs fréquences de fonctionnement, sont un des défis importants pour la prochaine décennie. D’importants efforts de recherche sont réalisés, tant au niveau national qu’international, afin d’étudier les performances de tels dispositifs reconfigurables dans des applications avancées de télécommunications et détections militaires et civiles. Ces applications nécessitent des performances remarquables, notamment de faibles pertes d’insertion, un fonctionnement ultralarge bande et des éléments de commutation ultra-rapides. Actuellement, dans le domaine des microondes, le caractère agile des différentes fonctions est majoritairement réalisé à l’aide des composants semi-conducteurs ou de MEMS. Ces éléments, bien qu’assurant de bonnes performances, présentent des inconvénients majeurs tels que des temps de commutation limités pour les MEMS qui sont de l’ordre de la microseconde pour les plus performants ou le risque de comportement non-linéaire des semiconducteurs en fonctionnement large-bande et/ou pour des puissances élevées. Par ailleurs, l’activation de ces éléments de commutation requiert de nombreuses commandes électriques pouvant venir complexifier l’architecture des dispositifs, augmenter leur encombrement et leurs pertes et dégrader leur vitesse de traitement. Ainsi, dans cette optique, différents matériaux agiles font l’objet d’études avancées car leurs propriétés physiques et électriques peuvent être modifiées en utilisant des commandes externes (électrique, pression, optique, thermique, etc.).
ANR MUFRED
Le projet intitulé MUFRED pour « Microwave Ultra-Fast Reconfigurable Electronics Devices » est un projet financé par l’Agence National de Recherche (ANR) qui tente de répondre aux Grands Défis Sociétaux (défi 7 : « Sociétés de l’information et de la communication ») définis dans le cadre de la Stratégie Nationale de Recherche (SNR), faisant partie intégrante du plan d’action 2016 [1]. Ce projet réunit un consortium de 5 laboratoires et de 2 industriels et s’articule autour du dioxyde de vanadium (VO2) dont les performances, notamment en termes de temps de commutation seront optimisées.
PRESENTATION DES PARTENAIRES
L’équipe d’IRCER (Institut de Recherche sur les Céramique, à Limoges) concentre ses recherches dans le domaine des interactions optiques, notamment laser, avec les matériaux. Elle développe des connaissances importantes à propos des simulations numériques des phénomènes intervenants dans les interactions laser-matériaux et des fabrications expérimentales de matériaux nano-composites avancés (dépôt de couches minces par ablation par laser pulsé (PLD) et synthèse de matériaux nano structurés). De plus, l’équipe d’IRCER possède une grande expérience dans la caractérisation morphologique, structurale, optique et électrique des matériaux. Le LMGP (Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique, à Grenoble) est une unité de recherche commune au CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) et à Grenoble INP située sur le site de MINATEC. Leur cœur de recherche est dédié aux sciences des matériaux, notamment la synthèse, le traitement et la caractérisation physique et structurale des matériaux fonctionnels. Durant plusieurs années, en complément des activités traditionnelles de recherche sur les matériaux fondamentaux, le laboratoire a mis à profit son expérience de la synthèse des matériaux pour développer une très forte activité de recherche dans le traitement des dépôts. TRT (Thales Research and Technology, à Palaiseau) accompli un travail pionnier dans les domaines les plus avancés de l’optique, de l’optoélectronique, des composants électroniques destinés à des applications micro ondes, de leur intégration et packaging. Leur compétence s’étend de l’élaboration de matériaux à l’intégration dans des démonstrateurs appropriés, en passant par la modélisation, le traitement, les tests de validation, l’assemblage et le conditionnement des composants. Ces nombreuses compétences permettent alors la validation des technologies étudiées avant leur diffusion aux divisions opérationnelles de Thales Groupe (tels que Thales Systèmes Aéroportés et Thales Alenia Space dans le cadre du projet MUFRED). L’équipe d’XLIM (à Limoges) est multidisciplinaire et possède de grandes expériences dans les domaines couverts par le projet MUFRED (matériaux à transition de phase, conception, réalisation et fabrication des dispositifs RF, micro-électronique et systèmes optoélectroniques). L’équipe a déjà une expérience de l’intégration du VO2 dans les dispositifs fonctionnant à hautes fréquences (allant des RF au THz) par la conception de démonstrateurs incluant des commandes thermiques ou électriques (tels que des commutateurs, des filtres et des limiteurs de puissance). Le Lab-STICC (Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Information, de la Communication et de la Connaissance, à Brest) est un laboratoire de recherche publique affilié au CNRS avec une expertise de recherche se résumant à « communication et décision : du capteur à la connaissance ». Le pôle MOM (Microondes, Optoélectronique et Matériaux) du Lab-STICC est impliqué dans le cadre du projet MUFRED. Une des principales compétences du pôle porte sur la conception des circuits reconfigurables tout en modélisant le comportement des matériaux et des commutateurs à l’aide de logiciels de conception hyperfréquences. L’IETR (Institut d’Électronique et Télécommunications de Rennes, à Rennes) est un laboratoire de recherche publique affilié au CNRS avec une expertise dans la conception d’antennes, des systèmes et architectures microondes, des communications numériques, de la télédétection et du traitement de signal et d’image. L’équipe SRC (Systèmes Rayonnants Complexes), parmi les 10 équipes composant l’IETR, est celle impliquée dans le cadre du projet MUFRED et est une des plus importantes équipes en Europe travaillant dans le domaine des systèmes d’antennes au niveau académique. TE-OX (Technology Oxides, à Rueil-Malmaison) est une start-up qui vise à développer, fabriquer et commercialiser de nouveaux dispositifs électroniques ultra-rapides (commutation dans la nanoseconde) en exploitant la nature rapide de la transition de phase dans les systèmes à forte corrélation et qui étend ses activités aux dispositifs électroniques à base d’oxydes. La start-up se positionne sur les marchés de niches dans les domaines de la défense, de l’aéronautique, du spatial, de l’automobile et des communications mobiles. TE-OX est une interface entre la recherche fondamentale, l’innovation et l’exploitation industrielle. Le projet MUFRED comptabilise au sein de son équipe pas moins d’une trentaine de professionnels (techniciens, ingénieurs d’étude, ingénieurs de recherche, doctorants, maîtres de conférences, professeurs et chercheurs CNRS). Il regroupe ainsi des compétences multidisciplinaires à même d’aboutir aux différents objectifs fixés.
IMPACTS ATTENDUS DU PROJET
MUFRED est un projet de recherche collaboratif visant à repousser les frontières de nouvelles technologies pouvant jouer un rôle stratégique dans le développement de nouveaux composants et de nouvelles fonctions électroniques ultra-rapides basés sur des matériaux MIT à destination des applications de télécommunication microondes. Ce projet couvre des études innovantes et pionnières allant de la synthèse de matériaux jusqu’à leurs intégrations dans des dispositifs avec à l’appui des preuves expérimentales du fonctionnement.
IMPACTS SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES
Le projet MUFRED devrait permettre d’augmenter les connaissances relatives au dioxyde de vanadium et ses procédés technologiques associés. Une meilleure compréhension pourra alors être apportée sur les relations liant les propriétés physiques (électriques, optiques, etc.) des couches minces de VO2 et ses propriétés structurales et microstructurales (dimensions des grains, orientations, etc.). Le contrôle des mécanismes physiques impliqués durant le processus de transition commandé pas voie optique permettra de réaliser de nouvelles fonctions RF reconfigurables ultra-rapides pour des applications telles que des réseaux d’antennes. Des niveaux TRL (« Technology Readiness Level ») supérieures (TRL > 4) pourront être envisagés grâce à l’intégration de ces matériaux dans de divers circuits électroniques reconfigurables.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 – Contexte et problématique
Résumé
1. Contexte
2. ANR MUFRED
2.1. Objectifs et défis du projet
2.2. Organisation du projet
2.2.1. Présentation des partenaires
2.2.2. Organisation et management
2.3. Impacts attendus du projet
2.3.1. Impacts scientifiques et techniques
2.3.2. Impacts sociétaux et économiques
3. Objectifs de la thèse
Bibliographie
Chapitre 2 – État de l’art des dispositifs RF accordables
Résumé
1. Présentations des éléments d’accords
1.1. Semi-conducteurs
1.1.1. Diode PIN
1.1.2. Transistor FET
1.2. MEMS RF
1.3. Matériaux agiles
1.3.1. Ferroélectrique
1.3.2. Ferromagnétique
1.3.3. Cristaux liquides
1.3.4. Matériaux à changement de phase
1.4. Comparaison des techniques
2. Dispositifs accordables
2.1. Commutateurs RF
2.1.1. Présentation
2.1.2. Commutateurs RF à base de diodes PIN
2.1.3. Commutateurs RF à base de transistors FET
2.1.4. Commutateurs RF à base de MEMS RF
2.1.5. Comparaison des temps de commutation
2.2. Déphaseurs reconfigurables
2.2.1. Présentation
2.2.2. Déphaseurs à base de diodes PIN
2.2.3. Déphaseurs à base de transistors FET
2.2.4. Déphaseur à base de MEMS RF
2.2.5. Synthèse de l’état de l’art des déphaseurs
2.3. Réseaux d’antennes reconfigurables
2.3.1. Présentation
2.3.2. Réseaux d’antennes à base de diodes PIN
2.3.3. Réseaux d’antennes à base de transistors FET
2.3.4. Réseaux d’antennes à base de MEMS RF
3. Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 – Matériaux à transition isolant-métal
Résumé
1. Introduction des matériaux agiles pour la commutation
2. État de l’art des matériaux MIT
3. Les oxydes de vanadium
3.1. Généralités
3.2. Le dioxyde de vanadium VO2
3.2.1. Présentation générale
3.2.2. Structure cristallographique
3.2.3. Propriétés électriques
3.2.4. Propriétés optiques et mécaniques
3.2.5. Commandes d’activation
3.3. Quelques applications du dioxyde de vanadium
3.3.1. Fenêtres intelligentes à base de VO2
3.3.2. Capteurs à base de VO2
3.3.3. Commutateurs et filtres à base de VO2
3.3.4. Antennes à base de VO2
3.3.5. Déphaseurs à base de VO2
4. Méthodes de dépôts
4.1. Ablation par laser impulsionnel
4.2. Dépôts chimiques en phase vapeur
5. Étude préliminaire d’intégration du VO2 dans des dispositifs élémentaires
5.1. Présentation des dispositifs élémentaires à concevoir
5.1.1. Commutateurs RF à base de VO2
5.1.2. Stubs reconfigurables à base de VO2
5.1.3. Polarisation des motifs de VO2
5.1.4. Cahier des charges et dimensionnement des dispositifs
5.2. Réalisation
5.3. Résultats expérimentaux par commande électrique
5.3.1. Commutateur RF série
5.3.2. Stub CO-CO
6. Commande optique et temps de commutation
6.1. Manipulation
6.2. Temps de commutation
6.3. Difficultés rencontrées
7. Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
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